基于AVR和RFID的电子防丢防盗器设计

摘要：针对防丢类产品的发展需求，介绍了一种具有双微机和彩色液晶触摸屏的电子防丢防盗器的软、硬件设计及测试分析。系统有别于现有产品，主机带有液晶触摸屏，子机嵌入微处理器，佩戴者通过液晶屏的提示信息并结合声音的渐强或渐弱变化找到被保护对象。实验表明，系统方案灵活可行，人性化服务水平较高，便于实际应用。
关键词：RFID；nRF24L01；AVR；触摸屏；防丢

0 引言
    在工作、生活快节奏的现代社会，走丢老人、小孩或宠物；被偷手机、行李等贵重物品；遗忘钥匙、钱包等物件的事情几乎每天都在发生。电子防丢防盗器属于安防类产品，它可以减少遗忘或丢失物品对人们造成的损失和不便。基于电子防丢防盗器的应用现状和发展需求，本文利用RFID技术设计了一款带有彩色液晶触摸屏的电子防丢防盗器，为物联网技术的应用以及安防类产品的发展提供了一个较好的应用方案。
    借助nRF24L01芯片的DPL和ACK PAYLOAD等功能，结合触摸屏设计方法，本文设计了基于nRF24L01、ATmega48PA和TFT图形LCD的电子防丢防盗器，可以对被监护的老人、小孩或者被保护的物品起到有效地防丢、防盗、防遗忘的作用。采用高性能控制器，实现彩色液晶触摸屏显示、无线遥控、MCU系统的独立控制，系统人性化服务水平较高，实用性较强，具有较好的技术推广与市场应用前景。

1 系统方案设计
    系统结构如图1所示。电子防丢防盗器由主机和子机组成，主机置于主控者处，子机置于老人、小孩或手机等被保护对象上。该电子防丢防盗器在主机和子机中都嵌入微处理器，正常工作时，子机发出稳定的无线电波，主机接收到该无线电波后不报警。当主机和子机之间的距离超过预定距离时主机接收不到子机的无线电信号，立即鸣笛报警(声压≤75 dB)，并伴有振动，以引起使用者的注意。如果按下主机的寻找键即启动寻找模式，主机佩戴者可通过液晶触摸屏的提示信息并配合警音的渐强或渐弱变化找到被保护对象。正常情况下，锂电池用USB接口连接电源适配器或计算机充电。

2 硬件设计
2．1 AVR微处理器控制电路
    选用ATMEL公司的ATmega48PA作为主控单元的微处理器，该芯片是一种高性能、低功耗的8位微处理器，工作电压仅1．8～5．5 V，工作频率为0～20 MHz，拥有4 KB的系统内可编程FLASH。如图2所示，ATmega48PA外围电路包括电源电路、8M时钟电路、复位电路以及USB／ISP下载接口等。
    电源电路如图2区域①所示。标称值为3．7 V的锂电池连接至集成三端稳压芯片REG1117—3．3 V的输入端。REG1117-3．3 V稳定输出3．3 V直流电压，供给系统用电模块。
    时钟电路如图2区域②所示。ATmega48PA内置RC振荡电路，可产生1 MHz、2 MHz、4 MHz、8 MHz的振荡频率。系统要求较精确波特率时，需要通过外部电路实现。
    复位电路如图2区域③所示。ATmega48PA内置上电复位，熔丝位可以控制复位时间，因此外部复位电路在上电时，可以直接拉一只10 kΩ的电阻R3到VCC即可。10μF的电容C11用以消除干扰和杂波。
    ISP下载接口如图2中区域④所示，使用双排2x5插座接入接口。由于没有外围元器件。PB3(MOSI)、PB4(MISO)、PB5(SCK)、RESET脚不受ISP下载接口的干扰，仍然可以正常使用。

2．2 无线数传模块设计
    nRF24L01电路图如图3所示。nRF24L01模块与ATmega48PA的SPI1连接实现信息交换。配置PD6、PB2作为GPI0端口，分别与nRF24L01的CE和CSN连接；配置PB5、PB4、PB3作为SPIO端口，分别与nRF24L01的SCK、MISO、MOSI连接；配置PD2作为EINT0端口与nRF24L01的IRQ连接。与AVR微处理器连接时应注意电源隔离，图3中nRF24L01与天线之间连接了滤波电感将两部分进行隔离，另外1．5 pF旁路电容C4和C5用来抵制高频干扰。

2．3 彩色液晶模块
    系统采用5．6 cm(2．2 inch)电阻式触摸屏，其色彩为65 k色／262 k色，分辨率为QVGA 320x240，背光为3LED并联，LCD控制IC采用μPD161704A驱动芯片，触摸控制IC采用XPT2046，接口为SPI接口。

3 软件设计
    软件开发采用ATMEL AVR Studio集成开发环境(IDE)，使用移植性好、编程效率高的C语言编程。电子防丢防盗器系统主流程图如图4所示。软件程序主要包括主机和子机的初始化、无线信号的发射与接收，以及彩色液晶模块的设计等内容。

3．1 nRF24L01的SPI口配置
    配置寄存器完成nRF24L01的所有配置，并通过SPI接口实现配置。SPI读操作的描述如下：
   
       
3．2 液晶显示模块设计
    2．2 inch TFT图形液晶触摸控制IC采用XPT2046，接口为SPI接口。子函数及颜色定义如下：
   

4 系统整体测试
    经过PCB板的焊接与调试，系统能够成功地发送与接收数据。系统主机配置外置天线，子机使用PCB板载天线，在400 m2的实验室内可听到响亮的报警声，主机彩色液晶屏显示结果如图5所示。

    在户外空旷地进行分段距离测试，每个距离段分别测试8次，每次发送数据量为512 b(32×16 b)，100 m以内6个距离段接收完整数据包的测试结果见表1。

    由表1的数据可以看出，系统无线数传模块在空旷地40 m以内可以实现无误码数据传输，实验是成功的。

5 结论
    本文基于RFID和AVR控制技术设计了一款带有彩色液晶触摸屏的电子防丢防盗器，经过实验测试，系统工作可靠，触摸屏反应灵敏，可对老人、小孩或手机、钱包等物品有效起到防丢、防盗和防遗忘功能。该设计方案具有较强的灵活性，还可应用于室内外仓库、码头和露天储料场的天车，以及授救、飞行和医疗等服务机器人领域，以有效降低故障和事故的发生。